基於極短氫鍵雙中心分解水催化機理研究獲進展

據新浪消息：光解水、電解水和光電解水製氫具有水資源資源豐富
、可循環以及可與燃料電池相結合等優勢，是實現清潔能源和氫能經濟可持續發展的重要途徑。但陽極氧析出反應（Oxygen evolution reaction, OER）是複雜的四電子反應過程

，具有較高的過電勢，是阻礙電化學水分解製氫的關鍵因素。貴金屬Ru和Ir的氧化物是公認的性能最優的OER催化劑，但其昂貴的價格及稀缺性製約了其大規模應用。因此

，發展可替代的非貴金屬催化劑材料成為近幾年的研究熱點。

最(zui)近(jin)
，北(bei)京(jing)大(da)學(xue)深(shen)圳(zhen)研(yan)究(jiu)生(sheng)院(yuan)新(xin)材(cai)料(liao)學(xue)院(yuan)潘(pan)鋒(feng)教(jiao)授(shou)課(ke)題(ti)組(zu)在(zai)非(fei)貴(gui)金(jin)屬(shu)催(cui)化(hua)劑(ji)材(cai)料(liao)中(zhong)首(shou)次(ci)發(fa)現(xian)基(ji)於(yu)極(ji)短(duan)氫(qing)鍵(jian)的(de)雙(shuang)中(zhong)心(xin)分(fen)解(jie)水(shui)的(de)氧(yang)析(xi)出(chu)催(cui)化(hua)機(ji)理(li)和(he)高(gao)性(xing)能(neng)催(cui)化(hua)材(cai)料(liao)，該(gai)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)以(yi)封(feng)麵(mian)文(wen)章(zhang)發(fa)表(biao)在(zai)近(jin)期(qi)的(de)國(guo)際(ji)材(cai)料(liao)領(ling)域(yu)頂(ding)級(ji)科(ke)研(yan)期(qi)刊(kan)ACS Catalysis（ACS Catal. 2018, 8, 466−473, 影響因子IF=10.6）上。

OER性能及100小時的析氧穩定性

研究團隊采用溶劑法合成了三種相結構的Li2CoSiO4（βII、βI、γ0）納米顆粒，研究了Li2CoSiO4納米晶的三個相（βII
、βI
、γ0）在堿性條件下的OER性能。研究發現βII相的Li2CoSiO4是高效和低成本的OER催化劑，OER性能（10mAcm-2電流密度下的過電勢為270mV，Tafel斜率為44mVdec-1）超過了基準的IrO2和近年來報道的一係列的鈷基催化劑。在1.55V恒壓100小時的析氧電流沒有任何衰減
，證明具有優異的析氧穩定性。

並且
，通過實驗與理論計算相結合，課題組闡明了βII相Li2CoSiO4優異的OER性能背後的機理：Li2CoSiO4在催化過程中表麵會發生脫鋰，導致Co四麵體活性位會在脫鋰過程發生結構重排；與βI和γ0相結構不同的是，βII相脫鋰後Co四麵體會發生旋轉，導致其表麵會形成2.54埃的“極短氫鍵”。在βII相表麵的這種極短氫鍵可以以極低的能壘使得質子在相鄰的兩個氧（OH…O）之間轉移
，促進了水在該催化條件下快速分解
，形成了獨特的基於“極短氫鍵”的“雙中心”分解水催化過程（平常的氧化物催化分解水時隻要一個過渡金屬與OH結合，因此是單中心的催化機理），從而降低水分解OER的過電勢。這一結果將擴大目前OER催化劑的設計範圍
，有助於高效水分解催化劑的研發。

βII相Li2CoSiO4表麵短氫鍵的形成及雙中心催化OER反應的機理

該工作是由潘鋒教授指導，博士後楊金龍、鄭家新副研究員及2014級碩士生許明作為共同第一作者與團隊其他成員合作完成的，美國伯克利國家實驗室的楊萬裏教授參與同步輻射x-ray吸收譜的測量
，汪林望教授參於相關的理論計算與機理分析。本項目得到國家材料基因組重點專項
、廣東省創新團隊和深圳市科研經費的支持。

文章鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.7b02814